В различных узлах машин (в том числе в механических передачах) содержится ряд деталей, предназначенных для поддерживания вращающихся элементов - зубчатых и червячных колёс, шкивов, звёздочек и т.д. Такие детали называются валами и осями. По конструкции оси и прямые валы мало отличаются друг от друга, но характер их работы существенно отличается: оси являются поддерживающими деталями и воспринимают только изгибающие нагрузки; валы представляют собой звенья механизмов, передающие крутящие моменты и, помимо изгиба, испытывают кручение.
Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками.
Оси. Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания установленных на ней деталей. Они могут быть либо неподвижными относительно насаженных на них деталей (рис. 1, а), либо вращающимися (в этом случае ось может быть изготовлена заодно с ними) (рис. 1, б).
В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (подвижные оси).
Не следует путать понятия "ось колеса" (это деталь) и "ось вращения" (это геометрическая линия центров вращения).
а) б)
Рис.1 - Конструкции осей: а - неподвижная ось; б - вращающаяся ось
Валы. Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вращающего момента.
При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия). Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.
Признаками для классификации валов служат их назначение, форма геометрической оси, конструктивные особенности.
1. По назначению валы делят на валы передач, на которых устанавливают детали передач (рис. 3) и коренные валы, на которых устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины (рис. 4).
2. По геометрической форме продольной оси валы делят на: прямые (см. рис. 2); кривошипные;коленчатые (рис.4, г); гибкие (рис.3, ж); телескопические(рис.4, е); карданные (рис.4, е).
Вал (рис.2) имеет опорные участки, называемые цапфами. Концевые цапфы именуют шипами, а промежуточные - шейками. Шипы и шейки вала опираются на подшипники. Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественно осевую нагрузку, называется пятой. Опорная поверхность для пяты называется подпятник.
Рис.2 - Прямой ступенчатый вал
Рис.3 - Типы валов передач: а - гладкие (трансмиссионные и др.);
б - ступенчатые; в - шлицевые; г - валы-шестерни; д - валы-полумуфты;
е - карданно-телескопические; ж - гибкие; з – кулачковые
Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие - для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т. п.); телескопические - при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.
Гибкие валы изготавливаются многослойной навивкой стальной пружинной проволоки на тонкий центральный стержень. Они сохраняют достаточную гибкость лишь при небольших диаметрах, так как при увеличения диаметра момент инерции сечения, а, следовательно, и жесткость резко возрастают, Поэтому при всех положительных качествах и удобстве привода, такие валы не могут передавать сколько-нибудь значительной мощности и имеют сравнительно узкое применение.
Наиболее широко распространены в машиностроении прямые валы и оси. Коленчатые и криволинейные валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не изучаются.
Рис.4 - Типы коренных валов: а – валы турбин; б – валы электрических двигателей; в – шпиндели станков; г – коленчатые валы; д – эксцентриковые валы
3. По конструктивным признакам: гладкие валы (см. рис. 3) и оси (см. рис.5); ступенчатые валы (см. рис. 2, 3, 4) и оси (см. рис. 5); валы-шестерни (см. рис. 3); валы-червяки (изготовлены заодно с деталью).
Для осевого фиксирования деталей на валу или оси используются уступы, буртики, конические участки, стопорные кольца, распорные втулки, которые могут монтироваться в одном комплекте с другими деталями.
Наиболее удобны для сборки узлов ступенчатые валы: уступы предохраняют детали от осевого смещения и фиксируют их положения при сборке, обеспечивают свободное продвижение детали по валу до места ее посадки. Желательно, чтобы высота уступов допускала разборку узла без вынимания шпонок из вала. Диаметры посадочных участков должны быть выполнены по ГОСТ 6636-69, поскольку на эти диаметры существуют калибры массового производства.
Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом.
Рис. 5 - Разновидности осей: а – оси ремённых, зубчатых и других передач ступенчатые (неподвижная и вращающаяся); б – оси подъёмно-транспортных машин (ступенчатая вращающаяся и гладкая неподвижная); в – оси транспортных машин
4. По типу сечения валы и оси бывают сплошные,полые,комбинированные. Применение полых валов приводит к существенному снижению массы и повышению жесткости вала при той же прочности, но изготовление полых валов сложнее сплошных. Полыми валы изготовляют и в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь (рис. 3, е), подводят масло.
Опоры валов и осей Нагрузки, воспринимаемые валами и осями, передаются на корпуса, рамы и станины через опорные устройства - подшипники. Опорные участки валов и осей – цапфы - в зависимости от направления опорных реакций разделяют на два типа.
К первому типу относятся цапфы, опорные реакции которых перпендикулярны оси вращения (радиальные усилия), их называют шипами (концевые цапфы) или шейками (промежуточные цапфы) (рис. 2 и 6)
Рис. 6 - Участки вала
Опорами шипов и шеек служат подшипники качения и скольжения. Цапфы валов и осей с опорами скольжения бывают цилиндрическими, коническими и сферическими (рис. 7).
а) б) в)
Рис.7 - Типы опор под подшипники скольжения: а – цилиндрическая; б – коническая; в - сферическая
Наибольшее распространение получили цилиндрические цапфы (рис.7, а), так как они наиболее просты, удобны и дешевле в изготовлении, установке и работе.
Конические (рис. 7, б) и сферические (рис. 7, в) цапфы применяют реже.
Цапфы валов и осей для подшипников качения почти всегда выполняют цилиндрическими (рис.8). Для облегчения сборки и фиксации вала в осевом направлении цапфы обычно делают несколько меньшего диаметра, чем соседний участок вала (рис. 8, а).
а) б) в)
Рис.8 - Типы цапф под подшипники качения
На некоторых валах и осях для фиксации подшипников качения рядом с цапфами предусматривают резьбу для гаек (рис. 8, б) или кольцевые выточки для фиксации пружинных колец (рис. 8, в).
Сравнительно редко применяют конические цапфы с небольшим углом конусности для регулирования зазоров упругим деформированием колец.
Цапфы для подшипников качения характеризуются меньшей длиной, чем цапфы для подшипников скольжения.
Ко второму типу относятся цапфы, опорные реакции которых совпадают с осью вращения или параллельны ей (осевые усилия), их называют пятáми (рис.1, 6 и 9). Опорами для пят служат подпятники – упорные подшипники скольжения (рис. 9, а, б, в) или качения (рис. 6, 9, г).
Наибольшее распространение получили следующие конструкции пят:
1) сплошная пята, рабочей поверхностью которой является плоский торец вала с канавками для смазки (рис.9, а); 2) кольцевая пята, рабочей поверхностью которой является кольцо торцовой части вала с канавками для смазки (рис.9, б); 3) гребёнчатая пята, рабочей поверхностью которой являются кольцевые участки вала – гребни (или заплечики), на которых сделаны канавки для смазки (рис.9, в).
а) б) в) г)
Рис. 9 - Типы пят: а – сплошная; б – кольцевая; в – гребёнчатая; г – пята с подпятником качения
Подступичными участками валов и осей (или головками) называют участки, на которых закреплены вращающиеся детали (рис. 6).
Переходные участки между двумя диаметрами выполняют: 1.) с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (эти канавки повышают концентрацию напряжений, поэтому рекомендуются на концевых участках, где изгибающие моменты небольшие) (рис. 6 и 10, а); 2) с галтелью постоянного радиуса (рис. 6 и 10, б); 3) с галтелью переменного радиуса (рис. 10, в). Такая галтель снижает концентрацию напряжений и увеличивает долговечность. Применяется она на сильно нагруженных участках валов и осей.
а) б) в)
Рис.10 - Конструктивные разновидности переходных участков вала
Торцы валов и осей делают с фасками, т. е. слегка обтачивают их на конце (см. рис. 6). Посадочные поверхности валов и осей обрабатывают на токарных и шлифовальных станках.
Эффективными средствами для снижения концентрации напряжений в переходных участках являются протачивание разгрузочных канавок (рис. 11, а), увеличение радиусов галтелей, высверливание в ступенях большого диаметра (рис. 11, б). Пластическое упрочнение (наклеп) галтелей обкаткой роликами повышает несущую способность валов и осей.
а) б)
Рис 11 - Способы повышения усталостной прочности валов
Заплечики валов и осей (буртики) препятствуют сдвигу лишь в одном направлении (рис. 6). В случае возможного осевого смещения в противоположную сторону для его исключения применяют гайки, штифты, стопорные винты и т. д. Концы валов для установки муфт, шкивов и других деталей, передающих вращающие моменты, выполняют цилиндрическими или коническими, а их размеры стандартизованы. Для установки шпонок вал снабжают пазом.